（工程力学专业论文）木城涧反程序开采相似模拟实验和数值模拟研究.pdf

摘要 上行丌采法是指在一个煤层群内，含有两层以上并有一定白j 距及丌采价 值的煤层，在丌采手段上是先采下部煤层，然后再开采上部煤层。出于这种 采煤方法在实际当中很少应用，目前还缺乏这方面的系统理论研究。但是像 木城洞煤矿资源不断枯竭的矿井，为了提高矿井的产量和延长矿井服务年 限，在特殊情况下对三槽煤采用上行开采有一定的现实意义和应用价值，很 有必要进行研究。 木城涧煤矿于1 9 5 2 年建成投产，至今已有5 0 多年的发展历史。木城涧 矿千军台坑的煤炭资源己濒临枯竭，虽然近几年来一直在挖掘潜力肇持生 产，但年产原煤由生产高峰期时的3 0 0 多万吨不断下降。资源不断枯竭、开 采难度加大、生产成本提高，该矿的生产经营状况不断恶化，这样，原柬丢 弃的平均厚度为1 2 m 的三槽煤于2 0 0 6 年实行回采，以保证矿井产量及效益 的提高。 本文针对木城涧矿千军台三槽煤层丌采的实际，在井下探测、田岩物理 力学参数分析、理论分析、相似实验、数值模拟研究了在二槽煤层采空区上 方对三槽煤层实行开采的可行性，阐述了煤层群上行开采技术的判别方法、 采动影响的时问空刚关系及应用条件。利用相似实孵和数值模拟论证了三槽 煤层底板可能出现的沉陷现象，对三槽煤层顶底板岩层变形和矿压分析并预 测可能出现的矿压显现的基础上，为解决类似问题的上行开采提供了参考依 据和丌辟了新途径。 因此，本次上行丌采的尝试，不仅可丰富了上行开采的理论和实践，同 时对于资源枯竭的木城涧矿拓宽主业渠道、提高煤炭资源回收率有重要的实 际价值和现实意义。 关键词：反程序丌采；上行开采；采动影响；模拟实验 a b s t r a c t t h em e t h o do fa s c e n d i n gi si nt h ec o a ls e a m w h i c hc o n t a i nt w ol a y e r sa b o v ea n d c e r t a i ns p a c ea n dh a v es o m em i n ew o r t hf i r s tm i n et h el o w e rc o a ls 目ma n dt h e nm i n et h et o p f o rt h i sm i n em e t h o di sf e wa p p l i e di nf a c t a n dl a c kt h e o r ys t i | d yi nt h i sm e t h o da tp r e s e n t b u tl i k et h ed r i e dl 叩m u c h e n g j i a nm i n e ，i ti sr e a l i s t i cm e a n i n ga n da p p l i c a t i o nv a l u et o r a i s em i l l e st o r n o a ta n dp r o l o n gs e r v i n gy e a rf o r 3 # c o a li ne s p e c i a li n s t a n c e ，a n di ti s n e o e s s i t yt os t u d y m u c h e n g i i u nc o m ei n t oe x i s t e n c ei n1 9 5 2 ，i t sc o a lr e s o o r c e sh a sa l r e a d yg e tc l o s et o d n e du p a l t h o u g ha l w a y ss c o o po u tp o t e n t i a lt op r o d u c ei nt h el a s tf e wy e a r s , b u tt h er a w c o a lo f y e a rp r o d u c ef r o mm o r et h a n2 8 0 0 , 0 0 0t o n sf o rh i 曲p e a i = t og e td o w nt h er e s o u r c e s i sd r i e du p ，m i n e sd i f f i c u l t ye n l a r g e m e n t , p r o d u c t i o nc o s te x a l t a t i o n , f i r s ta l m a d ya b o n d o n e t h e 3 # c o a ls e a n lo f1 2 m e t a r sh a v eb e e nd e c i d e dt om i n ei n2 0 0 6 , g u n r a n t o et h ei n e r e n s eo f o o a lm i n et u r n o u t t h ep a p e ra i ma tt h ef a c to fm i n i n 9 3 # c o a ls e a mi nm u c h e n g i i a n a tt h eb a s e o f u n d e r g r o u n de x p l o r a t i o n , s u r r o u n d i n g s t r a t ap h y s i c sm e c h a n i c sp a r a m e t a ra n a l y s i s , t h c t h e o r i e sa n a l y s i s , n u m b e rs i m u l a t i o n , c a n ts t r a t ac o n t r o lo b s e r v a t i o na n ds t r a t ac o n t r o l a n a l y s i si n3 # c o a ls e a ma n df o r e c a s tt h eg r o u n db e h a v i o u r s t u d i e dt h ef e a s i b i l i t y o f m i n e3 # c o a ls e a mn ot h e 2 # c o a ls o a r a ，e x p o u n dt h a tt h em a i nt e c h n o l o g yf a c t so f i n f l u e n c ea s c e n d i n g m i n i n gi nc o a ls e f l n sf i r et h ed i s t a n c e sb e t w e e nc o a ls e a m sa n dt h er e l a t i o n sb d w e e nt i m ea n d s p a c eo f m i n i n gm o v i n g ，a n dt h ea p p l i c a t i o nc o n d i t i o n so f a s c e n d i n gm i n i n gi nc o a ls e a m sa r e i n t r o d u c e dd e m o n s t r a t e ds e i n ep r o b l e m3 # c o a ls d q n l sf o o tw a l lb y f o u n d e r i n gt h e o r y , p r o v i d et h er e f e r e n c eg i s ta n dd e v e l o p e dt h en e wp a t hf o rt h es i m i l a r i t ya s c e n d i n gm i n i n g p r o b l e m s o , t h i sa s c e n d i n gm i n i n ga t t e m p t ，n o to n l ye n r i c h e dt h et h e o r ya n dp r a c t i c eo f a s c e n d i n g m i n i n g ，b u ta l s oh a v ei m p o r t a n tp r a c t i c ev a l u ea n dr e a l i s t i cm e a n i n g st oe x p a n dm a i nw o r k a n di n c r e a s et h ee x t r a c t i o nr a t i of o rl i t l l ec o a ls t o r a g em u c h e n g j i a n k e y w o r d ：r e t u r n i n gp r o c e d u r em i n i n g ：a s c e n d i n gm i n i n g ：m i n i n gi n f l u e n c e ：s i m u l a t i n g e x p e r i m o a t 辽宁工程技术赶孝砸士孝位论支 1 概述 1 1 问题的提出 1 1 i 研究目的 我国煤矿地质条件比较复杂，我国面临部分矿井处于挖潜阶段，煤层开 采条件差，生产能力低。同时又限制了其他煤层的开采，严重地制约了矿井 生产能力的发挥，已成为生产实际中突出问题，进行反程序丌采已成为必然。 开采煤层群时，多年来无论是单一布嚣还是联合相簧，各煤层之问大都按自 上而下的顺序开采上行丌采在实际中很少应用。开采理论一般遵循下行式 开采顺序，故从丌采理论上很少运用上行开采。 木城涧矿千坑+ 5 7 0 m 水平六石门二槽已全部回采，开采上面的三槽属反 程序开采。目前，二槽的采掘情况和资料比较详尽，但由于二槽和三槽的层 州距较小，困此研究反程序丌采中二槽采空区对三槽项、底板的影响、矿压 显现规律十分必要。须在充分调研的基础上，采用相似模拟材料实验和数值 模拟的方法，预测三槽煤开采对项底板的影响，为将来开采积累经验，提出 可行性方案，避免出现安全事故。 1 1 2 研究意义 本文为能够保证丌采过程中安全，减少资源浪费，延长矿井寿命，为我 矿同等条件的煤层开采探索出一种新方法，具有较好的经济效益和社会效 益。 1 1 3 研究成果的推广应用前景 目前，我国面临部分矿井处于挖潜阶段，通过采区的优化设计、二槽采 空区对三槽的影响进行试验研究安全有效地开采三槽煤，一方面，减少了 资源浪费，延长了矿井寿命。另一方面，三槽煤为中厚煤层，且有冲击地压 倾向，对缓解冲击地压有重要作用，同时，为我矿同等象件的煤层丌采探索 出一种新方法，具有较好的经济效益和社会效益，因此本项目的研究具有较 广泛的应用曲景。 1 2 国内外研究现状 到目前为止，国内外矿床地下开采的矿山均采用自上而下即下行阶段开 采顺序。这种阶段，l ：采顺序有很多优点：矿山建发仞期丁r 拓工程量小，初期 基建投资少，投产早等。但是目荫有关专家同样提出研究和应用上行阶段丌 辽宁工程技长走学碗士学位论丈 采顺序，上行阶段丌采顺序已成为矿床地下玎采顺序的瓤方向。 上行开采时，由于其下层煤已经回采完毕，下层煤的上覆岩层必然产生 变化这时可能会对上煤层顶底板造成一定的影响，甚至煤层的结构也可能 产生一定的变化。这均依赖于下层煤层顶板垮落的特性阻及两层煤层的问距 及其b j 的岩性。 当两层煤层层间距达到一定厚度，同时其问岩性的强度满足一定的条件 时，下层煤层丌采后可能对上层煤层的丌采影响不大。但蹬空丌采时可能产 生其它不利的矿压显现，如：工作面底扳出现台阶下沉：工作面进出采空区 时矿山压力的变化较大；工作面的矿山压力显现异于常规下行式工作面等。 所以，上行阶段丌采顺序已引起了世界矿业专家的普遍关注，可借鉴的 上行开采经验如： ( 1 ) 前苏联杜鲍期夫卡亚矿在层问距4 2 m ，上煤层为长壁综采的情况下， 工作面及顺槽状况良好，共出煤1 5 0 万吨。 ( 2 ) 前苏联加伊铜矿业进行了上行阶段开采顺序的工业试验。 ( 3 ) 乌克兰会属矿山科学院也f 在积极研究上行开采顺序。【l i ( 4 ) 我国华铜铜矿应用上行阶段开采顺序，已初见成效；山东孙村煤矿 在蒋金泉教授带领下实行上行开采技术并取得实际上的成功。 ( 5 ) 鸡西立新矿，受条件所限，以往只采中部4 个中厚煤层，厚1 0 m 。 它们的丌采虽使地面发生塌陷，而位于其上部3 0 m 左右的5 拌中煤层，仅表 现为下沉，其顶板岩层基本完整。7 0 年代术，他们不但回收了5 # 中煤层， 又对5 # 层上部3 0 m 处的6 # 层成功进行了丌采。 ( 6 ) 开滦唐家庄矿1 9 5 9 年曾因水大，放弃1 1 样煤层内己形成的2 6 1 0 工作 面，而先采其下部的1 2 # 煤层2 6 1 2 工作面( 1 1 # 煤2o m ，1 2 # 煤厚1 5 m ，层倒 距2 0 m ) 。1 9 7 2 年竣矿挖潜时，又恢复1 1 # 煤层2 6 1 0 工作面( 长壁回采面长 1 1 0 m ) 。回采过程中发现底板上有一指宽的裂缝，但无锗动。煤层中也有小 的裂隙，但不影响丌采1 2 l 。 ( 7 ) 丌滦吕家沱矿一水平一采区9 拌煤层采空区上7 # 、8 # 煤层合并区( 7 、 8 群煤层合并区厚2 2 m ，9 拌煤层厚i o m ，层州距l o m ) 的丌采；大同永定庄矿 对解放| j i f i 伪时则掠夺式丌采后丢弃的中州层9 # 煤的长壁式回采( r 伪时期 辽宁工程技术犬学硕士学位论支 只采了上部8 撑煤层及下部1 1 撑煤层，9 撑煤层厚1 3 1 6 m ，1 1 撑煤层厚1 9 3 3 ，5 m ，层问距2 6 m ) 。 ( 8 ) 鸡西城于河煤矿建于1 9 3 8 年，当时采用片盘斜井丌拓方式，轨道上 山一般粕置在底部层或中部层组中，由于开采技术条件等因素的限制，先采 了中部层组的2 5 # 煤，后采上部层组的2 9 # 煤、3 6 # 煤或4 2 # 煤层，形成了上 行丌采顺序，至今仍采用上行丌采。 从上述例子可以看出，有的是处于己采区裂隙带顶部，如鸡西立新矿； 有的是处于裂隙带的中部。如唐家庄矿；而吕家沱矿开采的7 、8 群合并区及 永定庄丌采的9 拌煤层则处于下部煤层丌采的裂隙带中、下部。上述矿井上行 丌采后所形成的裂隙带及其以上的煤层是可以进行回采的。 7 0 年代，煤层( 群) 上行开采引起了我国采矿界广泛的关注和研究，井有 计划地进行了试采。8 0 年代上行开采技术已用于煤矿设计、矿井技术改造 及矿井的复采工作当中，特别是地方煤矿复采老矿井采空区上方丢弃的煤炭 资源，获得了丰富的实践经验。 1 3 主要研究内容 本文研究采用相似模拟实验和数值模拟相结合的方法，以实验室实验数 据为基础，利用相似模扭研究二槽不同采厚等情况下，三槽底部二槽采动对 上部三槽底板破坏程度及对三槽开采的影响范围，为三槽采区设计和优化工 作面布置提供必要数据。 ( 1 ) 根据地层综合柱状图分析研究位置的地质条件，测定煤岩的物理力 学性质( 包括弹性模量、泊松比，内聚力、内摩擦角、抗压强度、抗拉强度 等) 。 ( 2 ) 三槽煤层上行开采可行性研究。 ( 3 ) 三槽煤层底板沉陷分析。 ( 4 ) 利用相似材料模拟实验研究最小层自j 距、平均层间距、二槽不同采 厚等情况下，三措底部二槽采动对上部三槽底扳破坏程度及对三槽丌采的影 响范围。 ( 5 ) 利用相似利料模拟实验研究三槽丌采时顶扳运动规律和底板运动规 律。 ( 6 ) 利月】数值模拟研究各种条件下，三栅底部二_ | 黹采动对上：部三槽底板 破坏程度及对三竹肝采的影响范稠。 辽宁工程技术大擘硕士学位论丈 ( 7 ) 利用数值模拟研究三槽丌采时顶板运动规律和底板运动规律。 ( 8 ) 通过相似材料模拟实验和数值模拟计算，为三槽采区设计和优化工 作面稚置提供必要数据。 ( 9 ) 三槽煤层+ 5 7 0 工作面蹬空丌采采场矿压显现规律及控制技术研究。 1 4 研究方法 主要采用实验，理论分析和数值模拟相结台的方法相结合的方法研究二 槽煤采空区上方三槽煤层+ 5 7 0 工作面开采的可行性。 ( 1 ) 现场调研 1 、利用形迹分析和现场的地质、矿压等资料，收集二槽煤丌采资料。 2 、严格按取样要求在现场采取岩样。 ( 2 ) 设计实验方案 1 、加工岩样，利用室内实验测试取样地点煤岩力学参数。 2 ，根掘相似理论进行配比，再现原始掘进条件，利用相似材料模拟试 验揭示二槽丌采时顶板运动规律和底板运动、矿压显现规律对上部三槽底板 破坏程度及三槽开采的影响范围。 ( 3 ) 数值模拟 为弥补实验方面的不足和定量地揭示规律，利用数值模拟进一步研究二 槽采动对上部三槽底板破坏程度及对三槽开采的影响范田。 辽宁工程技术太幸硕士擘位论丈 2 围岩的物理力学参数分析 木城涧矿千军台坑东以+ 5 7 0 水平五石门和三槽采空区为界，西到七石 门以东的断层，南以+ 7 0 0 煤层底板等高线为界，北至+ 6 2 0 煤层底板等高线。 相邻采掘情况：二槽煤已全都回采( 1 9 9 9 2 0 0 2 ) ，其倾角在8 2 0 。，煤厚 4 m 左右，局部在6 m 以上。采区的东边有三槽的采空区，上部有小窑巷道( 最 低标高为+ 7 0 0 m ) 。煤层情况：本采区三槽煤层赋存较稳定，最大厚度1 5 m 。 最小厚度0 6 m 平均1 2 m ，平均倾角1 6 。，含有一层0 4 0 8 m 的兴石。煤 层为黑灰色，半暗半亮型煤，光泽为半命属光泽，以条带状、粒状结构为主， 煤层硬度为峰硬块状，煤层央石为炭质泥岩和炭质粉砂岩，煤层结构复杂， 一般含有1 2 层央石h j 。 矿山岩体的稳定性不但与岩体的性质及结构有关，且与其所处的工程或 应力状态密切相关1 5 1o 首先我们研究了木城润矿千坑三槽煤层和二槽煤层项 底扳岩层的各种物理力学性质，然后进行了比较系统的力学实验研究。在力 学实验方面，系统地进行了各类岩体的常规力学性质实验，分析了各类岩体 的强度特性及变形特性；为评价岩体中各种地质结构面对岩体稳定性的控制 作用进行多组实验，并在刚性实验机上初步进行了应力应变部分过程实验研 究，为评价三槽煤层顶底板的稳定性提供了依据。岩体试样常规力学实验研 究，包括木城涧矿千坑三槽煤层顶底板各类主要岩体的抗压强度实验，实验 目的在于了解岩体的基本力学性能( 包括强度和变形) ，其结果不但直接用于 评价三槽煤层顶底板岩体的强度及变形，且用于三槽煤层顶底板的地质力学 模拟实验及仿真模拟计算。 2 1 基本信息概述 岩石的力学参数与破坏机制与采用的实验方法和实验条件有关，为了提 高实验精度和便于分析比较，对实验各方面条件都作了严格规定。 二槽煤层，三槽煤层的煤样，采用掏撬法选取，煤块裂隙发育，制样时， 易沿裂隙断丌：钻孔岩样易沿层理断丌，节理发育。实验室采用w i1 0 0 型 万能材科实验机，j d 2 0 0 2 2 型天平等主要设备。试件规格约为5 5 1 0 c m 左右的煤块及岩样。奂验室加工试件，测定出岩样所对应的各煤层及顶底板 各岩层的力学参数，主要包括煤岩试件的单轴抗压强度、变角度剪切( 内聚力、 内摩撵角1 、弹性模煎、汹松比和容重。 辽宁工程技术走擘硕士学位论更 表2 - l 煤层顾底板情况 2 2 煤岩实验结果 ( 1 ) 岩石的应力应变衄线 图2 - 1 是粉砂岩应力应变曲线的一部分。应力应变曲线图不仅在理论上， 而且在地质工程及矿山工程岩体的稳定性评价中具有重要的意义1 6 1o 一是因 为对于采场的稳定性来说，其稳定状态并不孤立的，因为从采场的结构来看， 采场的顶底板构组成了一个体系：二是从刚性实验机上获得的应力应变曲线 图可以推出，粉砂石在一定强度后仍具有一定的承载能力，且其承载能力的 大小与过峰值强度的后期变形有关t t 。由此可以看出，采场围岩即使过载性 破坏但是如果及时采取措施，控制采场顶底岩体变形的进一步发展，对采 场的稳定性是大有好处的。 幽2 1 耢砂岩的廊力麻变曲线 帅 如 0 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ( 2 ) 煤层及项底扳岩层物理力学参数 将同一编号的岩( 煤) 样制成三个同样的试件，实验得出岩石天然视密 度、岩石抗压强度、岩石弹性模量综合得出煤层顼底板各层物理力学参数。 如表2 2 。 表2 - 2 煤岩物理力学性质测定结果总表 2 3 实验得出的结论 ( 1 ) 通过现场观测取样及煤样加工和实验过程可以明显看出，三槽煤节 理裂隙发育，易沿裂隙断开，煤层松软且强度较小。三槽煤层平均抗压强度 为2 7 3 m p a ，平均弹性模量为2 1 g p a ，明显脆性。 ( 2 ) 二槽煤层节理裂隙发育，三槽煤层平均抗压强度为0 5 6 m p a ，平均 弹性模量为3 2 g p a ，脆性比三槽煤层小。 ( 3 ) 根据现场取样实验室数据分析，得出木城涧矿千坑三槽煤层项底板 岩石强度属于中硬岩。 辽宁工程技朱走学硕士学位论走 3 三槽煤层反程序开采可行性分析 在上行丌采过程中，由于下部煤层的开采，形成大面积采空区，岩体在 自然重力及开采影响下会产生变形破坏，致使上部煤层回采的过程中岩体裂 隙发育，顶底板破碎管理困难，因此国内外矿井在实际中很少采用。但是 由于煤与瓦斯突出、冲击地压的治理以及一些赋存不稳定弃采的煤层回收等 原因，上行开采也在部分地区试用，均取得了较好的效果。因此，本次上行 丌采的尝试，不仅丰富了上行丌采的理论依据和实际经验，同时对于资源桔 竭的木城涧矿提高煤炭资源回收率、延长矿井服务年限都有重要的实际价值 和现实意义。 3 1 采区地质条件 ( 1 ) 采区范围： 本采区东以+ 5 7 0 水平五石门和三槽采空区为界，西到七石门以东的断 层，南以+ 7 0 0 煤层底板等高线为界，北至+ 6 2 0 煤层底板等高线。 ( 2 ) 相邻粟掘情况： 本采区二槽煤已全部回采( 1 9 9 9 2 0 0 2 ) ，其倾角在8 2 0 。，煤厚4 m 左 右，局部在6 m 以上。采区的东边有三槽的采空区，上部有小窑巷道( 最低标 高为+ 7 0 0 m ) 。 ( 3 ) 煤层情况： 本采区三槽煤层赋存较稳定，最大厚度1 5 m ，最小厚度0 6 m ，平均1 2 m ， 平均倾角16 。，台有一层0 4 0 8 m 的央石。 ( 4 ) 顶底板情况： 直接顶为粉砂岩( 2 5 m ) ： 老顶为中一细粒砂岩( 5 2 0 m ) ； 直接底为粉砂岩( 5 i o m ) ； 老底为细一中砂岩( 1 0 2 0 ) 。 3 2 影响三槽煤层上行开采的主要因素 3 2 1 层间距 煤层( 群) 上行丌采的生产实践及科学研究证明，足够的层制距是上行丌 采的基本条件。上、下煤层的层问距( 或刷盯) 越大，上覆岩层移动越平缓， 倾斜、曲率等变形值越小，越有利于上行_ r i ：采。反之，层f i j 距( 或 1 m ) 越小， 辽宁工程技杠走学硕士学位论支 上覆岩层变形愈剧烈，甚至出现台阶f 沉。采场上覆岩层的冒落性戳坏及台 阶错动是影响上行j f 采的最大障碍。井下勘探知道木城涧千坑三槽煤层与二 槽煤层的平均层日】距为3 2 m ，根据国内外许多煤矿上行开采的成功经验知 道，当上、下煤层的层间距大于2 0 m 的商度时，上煤层发生台阶错动的机率 就小，采取一定技术措施，就可以进行上行丌= 采。 3 2 2 采高 采高是影响上覆岩层破坏状况及其高度的根本因素。采高越大，采出的 空自j 越大，采场上覆岩层结构可能获得平衡的机率就越小，势必导致采场上 覆岩层的严重破坏。一般采高越太，上煤层的下沉越大，各种变形值也增大。 二槽煤层房柱丌采采高为4 m ，根据丌采单一煤层及厚煤层第一分层时，冒落 带及裂隙带高度与采高基本上成正比关系 9 1 和许多矿在采高不大于6 m 的情 况下成功进行上行丌采知道，二煤层的采高正是在一个合理的采高范围内。 3 2 3 采煤方法 采煤方法是控制覆岩破坏高度的重要因素。二槽煤耙装法回采可以使冒 落带和裂隙带的发育高度有所降低，这是出于重复采动时，己被破坏的上覆 岩层的力学性质可以进一步软化，这时，采空区的空白j 主要由上覆岩层整体 弯曲来充填。因而，底板下沉量大、下沉速度快及波及覆岩的时间短。 采煤方法中，其顶板管理方式决定着覆岩破坏的空蒯形态和高度。全部 垮落法管理顶板时，采场上覆岩层一般都形成“三带”。而采用充填法管理 顶板时，一般只引起覆岩的丌裂性破坏，顶板下沉量要比全部垮落法小；顶 板下沉量随采高而变化。术城润矿千坑二槽煤层的开采采用耙装法，因此， 可以知道采场上覆岩层形成“三带”关系。 采用充填法管理顶板后的直接顶，相当于用全部垮落法时的裂隙带。因 此，采用充填法时的采高m o 相当于同样条件下使用全部垮落法的冒落带高 度e h 加上采高村，即 r 帆= 吾鲁m ( 3 - 1 ) a d 一1 i 硌一岩层的碎胀系数。 f 也就是晚，用填充法时的采高m o 相当于用全部跨落时的采高的丢倍，或 一一i 者啦跨落法的采高相当予采用充填法的采商的兰三；采用充填洼的采商相 k ， 辽宁工程技术是拳硕士擘住论文 当于采用跨落法的采高缩小了l 一兰喜顶板下沉量与采高成币比关系，因此， ” 采用充填法时的顶板下沉相当于垮落法时的兰孚兰】。 。 3 , 2 4 岩性及层问结构 岩石力学性质及层问结构影响覆岩破坏的高度。当顶板岩石硬度较高 时，冒落带和裂隙带的发育较高。在冒落过程中，顶板下沉量较小，采空区 空闯高，冒落过程较充分。因此，岩层主要以断块充填采空区。当顶板岩石 强度较低时，在冒落过程中，覆岩下沉量较大，采空区高度不断缩小，冒落 过程发展不充分，主要以岩层弯曲充填采空区。因此，冒落带及裂隙带发育 较低。 当直接顶的厚度大于i i 倍采高时r 冒矸充满采空区，其上覆岩层在 断裂下沉中易于形成平衡岩层结构，位于平衡岩层之上的煤层将缓慢下沉， 有利于上行丌采。 当顶板赋存有节理裂隙发育的石扶岩或唪硬砂岩时，这些岩层在下沉过 程中易于形成缓慢下沉。显然，上覆岩层将均匀下沉，有利于上行丌采。 木城涧矿千坑三槽煤层直接顶为粉砂岩，知道三槽煤层上覆岩层冒落带 和裂隙带发育较高，其上覆岩层缓慢下沉，有利于上行开采。 3 2 5 煤层倾角 煤层倾角主要影响采场上覆岩层破坏的空间形态。 缓倾斜煤层，采场顶板岩层冒落后就地堆积。在采空区边界，由于煤柱 支撑作用，冒落带及裂隙带发育高度较采空区中部大。 倾斜煤层随倾角增大，采场顶板岩层冒落后会随煤层底板向下滚动。 煤层倾斜下方的项板受矸石充填，冒落不充分而倾斜上方的岩层失去冒矸 的支承，岩层冒落更充分。因此，形成冒落带和裂隙带的不对称，倾斜上方 高，倾斜下方低。 急倾斜煤层，采空区冒矸下滑，上部岩层冒落更充分，冒落带及裂隙带 的分布形态明显更向上部边界发展。同时，煤层底板办可发生滑脱柬充填采 空区。 辽宁工程技y - 大学硕士学位论走 3 2 6 时间 煤层开采出之后，覆岩冒落、移动至移动稳定，有一个时问发展过程。 据实测资料，当覆岩为坚硬岩层时，裂隙带发展到最高后，达到稳定，一般 历时2 4 个月；顶板为中硬岩层时，裂隙带发育到最高后稳定，一般历时 为1 3 个月：当顶板为软岩时，裂隙带发展最高而后稳定的时间一般为1 2 个月。自家庄矿= 槽煤层于1 9 9 9 2 0 0 2 年已经全部回采完毕，距离现在有 足够的时间让上覆岩层稳定，因而从时间上考虑二煤层上行开采是可行的。 总之，上行开采时，上、下煤层的丌采应删隔足够的时间，否则，即使有足 够的层阳j 距丌采上煤层也会遇到困难。 3 3 三槽煤层上行开采的机理研究 3 3 1 采场上覆岩层裂隙的变化规律 木城涧矿千坑先采下部的二槽煤，通过现场钻孔观测，距三槽煤层底板 约4 米处出现采动裂隙，采动裂隙随工作面位置不同而变化。由此可知，上 行开采破坏了上行开采破坏了采场上覆岩层的原始应力平衡状态，引起岩体 应力重新分布。当重新分布后的应力超过原岩极限强度时，必然引起上覆岩 层的横向及纵向变形与破坏。上覆岩层的横向及纵向离层变形主要产生大量 采动裂隙，破坏煤层但随时间延长，采动影响逐渐消失，采动裂隙会重新 闭合压实；而纵向剪切变形则表现为岩层发生台阶错动，破坏岩层结构。后 者是影响上行丌采的最大障碍，控制岩层纵向台阶错动，是研究采场围岩力 系平衡问题i 。因此研究三槽煤层与二槽煤层问岩性及其形成平衡岩层结 构的条件，乃是研究上行开采机理的基本方法之一。 3 3 2 上行开采与围岩平衡 由采场上覆岩层破坏及移动规律可知，采场上覆岩体在垂直方向上可分 为冒落带、裂隙带及弯曲下沉带。从围岩平衡的观点可分为非平衡带( 即冒 落带) 、部分平衡带( 相当于裂隙带的下位岩层) 、平衡带( 相当于裂隙带下位 岩层之上的岩层) 。沿走向可分为原始应力区、煤壁支撑区、离层区、重新 压实区及稳定区。在煤壁支撑区内，有下方煤壁及其上方岩体所支撑，故上 部水平拉仲及下部压缩变形剧增：在离层区，铅垂方向受拉伸故上下离层 变影昂充分；而在重新压实区内，顶板下沉被采空区矸石所支撑，故采动裂 隙重新闭合压实。从而| 兑明裂隙带岩层的平衡岩层在下沉过程中岩块玎相互 咬台形成“采面堞壁硬其卜方岩体一采空区垮落矸石”为支撑体系的平衡岩 层结构。裂隙带的下位岩层可形成以“煤壁一支絮一矸石”为支挥体系的岩 辽亍工程技术大学硕士学值论走 1 2 层结构【1 引a 这种岩层结构在支架参与下亦可形成平衡岩层结构。平衡岩层结 构能阻止上覆岩层纵向台阶错动。因此，当上煤层位于中下煤层最近的平衡 岩层之上时，即可以上行丌采。 3 3 3 采动影响的时空关系 采用耙装采煤法的工作面t 随着工作面不断推进，采空区面积也不断扩 大，采场上覆岩层到一定距离时，岩层移动波及到某一高度的覆岩，使覆岩 产生一种在空自j 上和时问上有规律的移动和变形，当工作面采完，覆岩移现 稳定之后，在采空区上方形成一个沉陷区i ”1 。 采场上覆岩层及地表移动的延续时自j 应根据最大下沉量与时间关系曲 线和下沉速度曲线求得，见图3 1 。 i 一初始期1 1 - 话跃期l l i - 衰退蝴总移动期 幽3 - 1 覆岩移动延续时间 下沉l o m m 时为移动期开始的时州；连续六个月下沉值不超过3 0 m m 时， 可以认为地表或覆岩移动期结束；从地表或覆岩移动丌始到结束的整个时间 称地表或覆岩移动的延续时f 1 ；在移动过程的延续时自j 内，下沉速度大于 5 0 m m , q ( ( 1 7 r a m i 二f ) ( 煤层倾角小于4 54 ) 或大于3 0 r a m 月( 煤层倾角大于 4 5 。) 的时1 1 j 为衲始期。从活跃结束至移动驯结束的阶段称为褒退婀i 6 。 辽宁工程技柱大学z 女士学位论丈 如果没有实测的采场上覆岩层的移动时间，可以参照咀下方法估算： 当上、下煤层之问为峰硬岩层时，上、下煤层的删隔时间可按下式计算： t = 1 0 n 3 ( 月)( 3 2 ) 当上、下煤层之问为中硬岩层时，上、下煤层的间隔时日j 可按下式计算： t = 0 0 8 k + 3 ( 月)( 3 3 ) 当上、下煤层之自j 为软弱岩层时，上、下煤层的自j 隔时问可按下式计算： 产o06k+3(月)(3-4) 其中式( 3 - 2 )( 3 3 )( 3 4 ) 中，置= 且7 村 h - - 上下煤层问的层间距，m ； 卜下煤层的采高，m 。 3 4 三槽煤层上行开采的应用条件 开采煤层群时，一般采用下行式开采，上行开采是一种在开采顺序上较 特殊的开采方法。煤矿生产实践和科学研究证实，在某些地质及开采技术条 件下，可以进行上行丁f 采，其具体的应用条件如下： ( ”当上煤层项板峰硬，煤质坚硬不易采出时，采用上行开采，可消除 或减轻上煤层开采时发生的冲击地压和周期来压强度，可减轻地质构造应力 的影响。 ( 2 ) 当上煤层含水量大、工作面工作条件困难时，先采上煤层可疏干上 煤层含水。 ( 3 ) 当上部为煤与瓦斯突出煤层时，先将下部煤层作为保护层开采，可 减轻或消除上煤层的煤与瓦斯突出的危险，确保矿井安全生产。 ( 4 ) 上部为劣质、薄及不稳定煤层时，丌采困难，长期达不到矿井设计 能力。可先采下煤层，或上下煤层及薄煤层煤层搭配丌采，能很快达到矿井 设计能力。 ( 5 ) 建筑物、水体及铁路下采煤，有时需要先采下煤层，后采上煤层， 以减轻对地表的影响。 ( 6 ) 开采火区或积水区下压煤，有时需要采用上行开采。 ( 7 ) 上部煤层丌采困难或投资很多，或下部煤质优良，从国民经济需要 出发，有时采用上行丌采，可迅速提高经济效益。 ( 8 ) 在某些地质技术条件下，新建矿井果用下行与上行丌采相结台的方 式。可以减少仞 9 j 巷道工程量，投资及建井工期，获得显著经济赦益。 ( 9 ) 复采采字匡上部遗酎的煤炭资源。 辽宁工程技术是学砸士擘位论乏 在现有生产矿区或矿井中，有很多矿区或矿井的采空区上方都遗弃了一 些可采煤层，有的矿少则几万吨，多则数千万吨；有的矿区丢弃上部煤层达 亿吨以上。丢弃的煤炭储量相当多。丢弃的原因多种多样：有地质勘探不详， 在已采煤层上部又发现了可采煤层；或者是把薄及不稳定煤层划分为不可采 煤层，而在生产过程中又发现可采，但已来不及布置采煤工作面，只好丢弃 了上部煤层而采下部煤层；有的矿井因生产任务及经济效益问题，必须先开 采主采煤层，而主采煤层与上部次要煤层的丌采错距尚未拉开，只好注销次 要煤层的部分储量，先采下部煤质好、生产能力大的主采煤层：有的矿井在 设计时，因下行开采程序与采区布置和生产能力之问发生了矛盾，而丢弃上 部次要煤层部分储量；过去，帝国主义掠夺式丌采了下部好煤层，丢弃了上 部煤层。对上述种种原因丢弃的煤炭资源，只需要增加少量巷道工程量就可 以回收被丢弃的煤炭资源。 木城涧矿上行开采的应用条件正是符合了第( 4 ) ( 7 ) ( 9 ) 条，利用已有井 巷和设备开采被丢弃的三槽煤炭资源，以延长矿井的服务年限，具有重要的 现实意义。因此，从木城涧矿千坑的现实条件出发，采用上行丌采，对于提 高矿井的产量和煤炭资源的回收率都具有重要意义。 3 5 上行开采的基本原则 ( 1 ) 当采场上覆岩层中有较硬岩层时，上煤层应位于距下煤层最近的平 衡岩层之上。 ( 2 ) 当上覆岩层均为软岩时，上煤层应位于裂隙带内。 ( 3 ) 上煤层的丌采应在下煤层丌采引起的岩层移动稳定之后丌采。 ( 4 ) 上行丌采必要的层间距。 上行丌采应采取的技术措施：1 1 ” ( 1 ) 当煤层间距较小时，上煤层移动曲线应达到充分采动。要求下煤层 工作面尺寸足够大，应采用长壁采煤法，使上煤层达到该地质技术条件下的 最大面积均匀下沉。同时，要合理布置上煤层的丌采边界。 ( 2 ) 下煤层应采干净，不留残余煤柱，故下煤层最好采用无煤柱护巷。 ( 3 ) 加快采煤工作面推进速度。受下部采动影响的上煤层总要经历拉伸， 倾斜和压缩变形作用而后趋于稳定。提高工作面推进速度，连续采煤，可缩 短变形过程，减少_ 娈! 形程度。 ( 4 ) 上j 2 ；l 层巷道应在下煤层丌采引起的岩层移动稳定之后丌捌。 辽宁工程技术走聿硕士学位论文 3 6 三槽煤层上行开采可行性分析 3 6 1 覆岩破坏及移动的一般规律 1 ) 岩层移动的一般特征i l 煤层大面积采空后，周围的岩层失去了平衡，在重力作用下产生变形和 移动，不同地质和采煤技术条件，围岩的变形和移动是不同的。 ( i ) 开采缓倾斜煤层 当使用耙装采煤方法丌采近水平或缓倾斜煤层时，采空区上覆岩层的移 动稳定后，一般形成由下往上的冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，岩层的三带 分椎如图3 - 2 所示，实际上这三带并没有明显的界限。 ab i - 冒落带一裂隙带- 弯曲f 沉带 l 篁i 抛岩层移动的二带分布 冒落带是指采用全部冒落方法管理顶板时，回采工作面放顶后引起的煤 层直接项板的破坏范围，冒落带的特点是顶板岩石在自重作用下，发生法向 弯曲。当岩层内拉应力超过岩石强度时，破矸f 成块，垮落而形成冒落带。这 一带越是靠近煤层，茸落的岩块越是破碎、紊乱。冒落岩块之问的空隙多， 连通性强。根据冒落带岩块的破坏和堆积状况，冒落带可分为不规则冒落和 规则冒落两部分。在不规则冒落部分内，岩层完全失去了原有的层次；在规 则冒落部分内，岩层基本上保持原有的层次。 裂隙带：冒落带以上到弯曲下沉带之日j 为裂隙带。裂隙带内岩层破坏的 特点是，岩层发生垂直于层面的裂鼎或断丌和岩层顺层面离丌( 离层或离层 裂隙) 。根掘垂直于层而的裂隙，离层裂隙的不同张7 r 程度以及裂隙的连通 性强弱，裂敞带又呵分为严重断裂、一般_ 1 = 裂和微小丌裂三个部分。严重断 辽宁工程枝术戈擘硕士学位论支 裂部分内岩层大都断丌，但仍然保持其原有的层次，裂隙的连通性强。一般 丌裂部分内岩层的连续性未断或很少断丌。裂隙的连续性较强。微小丌裂部 分内岩层有裂隙，基本上不断开，裂隙的连续性弱。 弯曲下沉带：它在裂隙带之上，当开采深度很大时，这一带的岩层不再 断裂。岩层将保持其整体性和层状结构其移动过程连续而有规律，岩层呈 平缓之弯曲，此时，虽然弯曲下沉带上面也可能产生裂隙，但这种裂隙是由 于其上覆岩层伸张变形所引起的，在其上覆岩层下沉到一定深度即进行闭合 而消失一般并不和裂隙带的裂缝相沟通。 根据岩层移动，变形特性和采动影响的范圈，在移动过程终止后的岩层 内，大致上可划分为两个区域( 如图3 - 2 ) ：位于采空区中部上方o a b 所包括 的范围内，这一区域称为充分采动区，其特征是岩层移动结束后，同一层面 上各点的移动向量彼此帽等，随着采空区的扩大，各点的移动向量值不会再 增大，而且层内各点的移动方向大致沿层面法线方向互相平行，所以各层大 致保持原来的形状( 除冒落带外) 。充分采动区o a b 以外的区域称为非充分 采动区。这一区域，由于岩层弯曲的原因，在层内产生沿层面方向的伸张和 压缩变形，充分采动区的边界线与煤层层面所成锐角称为充分采动角，一般 用表示。在倾斜剖面上，下山方面的充分采动角用矽，表示；上山方面的 充分采动角用表示：在走向剖面上，充分采动角用表示。在一定的地 质采矿条件下，充分采动角比较稳定，变化不大。充分采动区顶点o 的 位置，取决于煤层埋蛾深度和采空区的尺寸它可能出现在巷道水平面以下 的弯曲下沉带内或裂隙带内也可能超过巷道水平，在丌采范围有限，采空 区尺寸较小时，上覆层内充分采动区小充分采动区的项点o 的位置就低； 相反，如果开采范围相当大，而煤层埋藏深度相对来说又比较浅时，充分采 动区的范围就大，充分采动区的顶点o 的位置就会超出巷道水平。使巷道水 平面的一定范围也受到充分采动。 ( 2 ) 开采倾制煤层 在使用耙装采煤方法丌采倾斜煤层时，上覆岩层移动情况大致上与开采 缓倾斜煤层一样，同样在岩层移动稳定后，也会出现冒落带、裂隙带和弯曲 下沉带。但是，由于煤层倾角增大，煤层上覆岩层以层状作法向弯曲的同时， 并有微小的沿岩层面方向的错动，蜘削3 3 所示。此时，在充分采动区o a b 内，岩层并点移动矢量在岩层自重作用下，山岩层的法线方向偏向下山方面。 采空区下捌上穆岩层在a c 附近沿岩层层埘方向的n 缩变形增加i ；而在采 空区上但l jb d 附近。沿岩层层面方向的拉仲变形埔加。同时在b d 之外将 辽宁工程技术走学硕士孝位论支 有沿层面方向的移动。 cd 幽3 - 3 上覆岩层变形移动规律 ( 3 ) 开采急倾斜煤层 同样使用耙装法开采急倾斜煤层时，岩层移动上述情况则有所不同。如 图3 4 所示。煤层采空后，顶板岩层向采空区方向弯曲并伴随有沿岩层层面 的向下移动。随着采空区的扩大顶板岩层重新分布的应力超过岩层本身的 强度极限后，也将产生破裂、冒落，冒落的岩块将下滑充填采空区，这样采 空区下部空间逐渐被填满，采空区上部又垮落结果使得采空区上部岩层不 断弯曲、下沉、破裂、冒落，而采空区下部的岩层移动减弱。岩层移动稳定 后，上覆岩层也会出现冒落带、裂隙带和整体移动。但不会出现充分采动区。 因为岩块下滑顶板岩层各处的移动条件不同。有时底板岩层也会向采空区 隆起并产生沿岩层层面下滑。同时底板岩层可能出现弯曲下沉带或裂障带。 i 一冒落带1 1 - 裂隙带弯曲f 沉带底板移动带 i 鳘| 3 4 开采急倾斜煤层时的岩层移动 由于采空区上部的岩层移动剧烈如果丌采煤层佝厚度大，采空区上方 的煤柱孰可能片帮甚至垮落，并可能向i 二扩展至j 二煤屡底板，形成上煤层 辽宁工程技术太学硝士学位论吏 底板塌陷坑。以上所述是岩层移动的一般媳型特征，出于地质采矿条件多种 多样，实际发生的情况是很复杂的。如采用全部充填法管理顶扳时，一般只 出现裂隙带和弯曲下沉带，而不出现冒落带；开采浅煤层时，冒落带可能直 达地表：开采薄煤层时，如顶板为塑性大的岩层，则可能只出现弯曲下沉带。 另外，对于地质构造复杂的采区，岩层移动的情况就更复杂，在这种困难条 件下进行上行开采，就更应慎重对待。 2 ) 上行开采覆岩移动的一般规律 由于下部煤层开采深度、玎采厚度、采煤方法、顶板管理方法、岩性以 及煤层的产状不同，下部煤层_ 丌采后其上覆岩层移动和破坏的形式也不一 样，层丑j 距与下煤层采厚的比值较小时，煤层采出一定面积后，上煤层底板 可能出现较大的裂隙或塌陷坑，这时，巷道移动和变形在空间和时间上都是 不连续的，即在渐变中有突变，它们的分布没有严格的规律性。当采深与采 厚的比值较大时，底板中没有较大的地质破坏，下部煤层采出一定面积后， 上覆岩层移动和变形在空间和时自j 是都是连续的、渐变的，它们的分布有明 显的规律性，形成某种形式的锰地。 ( 1 ) 移动盆地的形成1 1 9 移动锭地的形成有一个过程。对于采用耙装法开采的煤层，当回采工作 面离丌切眼的距离为平均采渫协的1 1 4 至1 1 2 时，丌采引起的岩层移动开始 波及到上煤层底板，这时底板下沉形成一个比采空区大得多的笳地矾，如 图3 - 5 所示。实践证明，移动毓地是随着工作面推进过程逐渐形成的。回采 工作面向前推进，移动毓地矿，内巷道底扳继续下沉，同时工作面据推进方 向上尚未移动的底板点依次进入移动，从而使移动盆地盯